Nghiên cứu các phương pháp điều khiển năng lượng cho hệ thống nguồn lai ắc quy siêu tụ điện trong ô tô điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘIBÙI ĐĂNG QUANG NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN NĂNG LƯỢNG CHO HỆ THỐNG NGUỒN LAI ẮC QUY - SIÊU TỤ ĐIỆN TRONG Ô TÔ ĐIỆN Ngành: Kỹ thuật điều khiển và

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÙI ĐĂNG QUANG

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN NĂNG LƯỢNG CHO HỆ THỐNG NGUỒN LAI ẮC QUY - SIÊU TỤ ĐIỆN TRONG

Ô TÔ ĐIỆN

Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 9520216

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS Tạ Cao Minh

Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này làthành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh dưới sựhướng dẫn khoa học của PGS.TS Tạ Cao Minh và chưa từng xuất hiện trong công bố củacác tác giả khác Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực.

Hà Nội, ngày … … tháng … … năm 2020

Trước tiên, tôi xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc của tôi tới thầy hướng dẫn PGS.TS TạCao Minh người luôn đứng bên tôi với sự kiên nhẫn và uyên bác về chuyên môn luôn độngviên và giúp đỡ tôi những lúc khó khăn nhất.

Tôi xin cảm ơn các bạn bè, đồng nghiệp và anh chị em nghiên cứu sinh ở Viện Kỹthuật Điều khiển và Tự động hóa, Bộ môn Tự động hóa Công nghiệp, Viện Điện và Trungtâm Nghiên cứu Ứng dụng và Sáng tạo công nghệ đã luôn động viên và tạo điều kiện chotôi cũng như góp ý trong suốt quá trình nghiên cứu Trong quá trình làm nghiên cứu sinh,mỗi dịp báo cáo sáu tháng hay báo cáo chuyên môn hàng tháng của nghiên cứu sinh ở cảhai đơn vị Bộ môn Tự động hóa Công nghiệp và Viện Điện Viện Kỹ thuật Điều khiển và

Tự động hóa, tôi luôn nhận được sự góp ý và đánh giá của những người thầy khả kính Tôixin đặc biệt gửi lời cảm ơn tới các thầy PGS.TS Bùi Quốc Khánh, PGS.TS Nguyễn VănLiễn, PGS.TS Trần Trọng Minh, PGS.TS Nguyễn Quang Địch và GS.TSKH NguyễnPhùng Quang đã có những phản biện sắc sảo, những góp ý đáng quý về mặt chuyên môncũng như trình bày những khi tôi báo cáo khoa học Nhưng góp ý này đã giúp tôi rất nhiềutrong suốt quá trình nghiên cứu Cám ơn các bạn Vũ Hoàng Phương, Võ Duy Thành, ĐàoPhương Nam, Nguyễn Văn Quyền (Bộ môn Cơ học ứng dụng, Viện cơ khí), Nguyễn BảoHuy, Nguyễn Duy Đỉnh, Nguyễn Văn Hùng đã kiên nhẫn cùng tôi trao đổi chuyên môn đểtôi có thể có những cái nhìn khách quan hơn trong việc giải quyết các vấn đề khúc mắc

Quan trọng nhất, tôi xin cảm ơn gia đình Con cám ơn bố mẹ luôn ở bên con đểđộng viên và ủng hộ con Cám ơn vợ đã thông cảm cho mình trong những hôm đi sớm vềkhuya mà không một lời than phiền Cám ơn hai thiên thần nhỏ bé của bố đã tiếp thêm sứccho bố vững bước đi trên con đường nghiên cứu đã rất dài và vẫn còn rất dài

Cuối cùng, sau khi viết quyển luận án này, tôi nhìn lại chặng đường nghiên cứu thìtôi mới thấy tôi nên cám ơn rất nhiều người, nên trong lời cảm ơn này nếu tôi có bỏ sót aithì kính mong người đó thông cảm bỏ qua cho tôi

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC BẢNG viii

DANH MỤC HÌNH VẼ ix

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN 3

1.1 Khái quát về đối tượng nghiên cứu 3

1.1.1 Phân loại ô tô điện và các ưu điểm và nhược điểm của ô tô điện 3

1.1.2 Khái quát về các thiết bị lưu trữ năng lượng sử dụng trên EVs 7

1.2 Cấu trúc của EVs 9

1.2.1Động cơ sử dụng trên EVs 9

1.2.2 Cấu trúc hệ thống lưu trữ năng lượng 12

1.2.3 Các bộ biến đổi công suất 17

1.2.4 Bộ điều khiển trung tâm 20

1.3 Các phương pháp quản lý năng lượng trong ô tô điện 21

1.3.1 Các phương pháp dựa trên luật điều khiển 21

1.3.2 Các phương pháp tối ưu 24

1.4 Mục tiêu nghiên cứu và giới hạn nội dung nghiên cứu 26

1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu 26

1.4.2 Giới hạn nội dung nghiên cứu 27

1.4.3 Phương pháp nghiên cứu 29

1.4.4 Kết quả dự kiến 30

Chương 2: MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN 31

2.1 Mô hình hóa động lực học ô tô điện 31

2.2 Mô hình hóa động cơ 35

2.3 Mô hình hóa ắc quy 37

2.4 Mô hình hóa siêu tụ điện 39

2.7 Kết luận chương: 54

Chương 3: THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN 56

3.1 Điều khiển dòng năng lượng cho ô tô điện theo tần số 56

3.1.1 Lý thuyết Ragone - cơ sở lựa chọn tần số cắt 56

3.1.2 Một số công bố về áp dụng phương pháp điều khiển dựa trên tần số cho quản lý năng lượng trên ô tô điện 58

3.1.3 Thiết kế bộ điều khiển năng lượng dựa trên tần số 58

3.1.4 Mô phỏng hệ thống sử dụng bộ điều khiển năng lượng dựa trên tần số 59 3.1.5 Đánh giá kết quả 64

3.2 Điều khiển dòng năng lượng cho ô tô điện bằng phương pháp điều khiển mờ 64

3.2.1 Khái niệm bộ điều khiển mờ 65

3.2.2 Một số công bố về áp dụng điều khiển mờ cho quản lý năng lượng trên ô tô điện 65

3.2.3 Thiết kế bộ điều khiển mờ cho quản lý năng lượng 66

3.2.4 Mô phỏng hệ thống sử dụng bộ điều khiển mờ 70

3.2.5 Đánh giá kết quả 73

3.3 Thiết kế bộ điều khiển mờ kết hợp bộ lọc thông thấp 74

3.4 Điều khiển dòng năng lượng cho ô tô điện bằng phương pháp quy hoạch động 79

3.4.1 Lý thuyết phương pháp quy hoạch động 79

3.4.2 Một số công bố về áp dụng phương pháp quy hoạch động cho quản lý năng lượng trên ô tô điện 80

3.4.3 Triển khai phương pháp quy hoạch động cho quản lý năng lượng trên ô tô điện 82

3.4.4 Đánh giá kết quả 89

3.5 Giải bài toán tối ưu đơn mục tiêu bằng phương pháp biến phân 90

3.6 Kết luận 98

Chương 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG THỜI GIAN THỰC CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN 100

4.1 Khái niệm mô phỏng thời gian thực trong ngành công nghiệp ô tô 100

4.2 Phân loại mô phỏng HIL trong các hệ thống có sử dụng truyền động điện 100 4.3 Xây dựng hệ thống mô phỏng HIL cấp tín hiệu (Signal level HIL simulation) trên cơ sở bộ HIL 402 của hãng Typhoon 102

4.5 Kết luận: 117

KẾT LUẬN 118

Các đóng góp của luận án 118

Các hạn chế của luận án 118

Hướng nghiên cứu tiếp theo 119

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 120

TÀI LIỆU THAM KHẢO 122

Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

cơ đốt trong)

nam châm chìm

vii

Bảng 1.1: Bảng các tham số của chu trình ECE. 27

Bảng 2.1: Bảng tra hệ số lực cản lăn [79] 32

Bảng 2.2: Bảng tra hệ số khí động học của ô tô [79] 34

Bảng 2.3: Bảng các tham số của xe ô tô điện i-MiEV. 34

Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật động cơ IPM trên ô tô i-MiEV 36

Bảng 3.1: Đánh giá chất lượng dòng điện của phương pháp điều khiển dòng năng lượng cho ô tô điện theo tần số 64

Bảng 3.2 Bảng suy luận mờ 69

Bảng 3.3: Đánh giá chất lượng dòng điện của phương pháp điều khiển dòng năng lượng cho ô tô điện theo tần số 73

Bảng 3.4: Kết quả các phương pháp quản lý năng lượng: Mờ, dựa theo tần số và kết hợp 78

Bảng 3.5 Tham số hệ thống 84

Bảng 3.6: Đánh giá chất lượng dòng điện của phương pháp biến phân với phương pháp quy hoạch động theo hướng rời rạc hóa và các các phương pháp dựa trên luật điều khiển 98

Hình 1.1 Các cấu trúc truyền động của ô tô lai [2] 4

Hình 1.2 Fuel cell 5

Hình 1.3 Ô tô điện Misubishi iMiEV (ra mắt tháng 7 năm 2009) 6

Hình 1.4 Ô tô điện Nissan Leaf (ra mắt tháng 12 năm 2010) 6

Hình 1.5 Xe Tesla Model X P100D (ra mắt tháng 8 năm 2016) 6

Hình 1.6 Ragone plane[4] 7

Hình 1.7 Cấu trúc (a) và mặt cắt của pin li-ion (b) 8

Hình 1.8 Các loại động cơ sử dụng cho ô tô điện 10

Hình 1.9 Cấu trúc nguồn năng lượng cho xe điện của trường Shahid Beheshti, Iran 12

Hình 1.10 Cấu trúc nguồn năng lượng cho xe điện của Trường Đại học Cranfield, Anh 13 Hình 1.11 Cấu trúc nguồn năng lượng cho xe điện của trường Pontificia Universidad Catolica de Chile, Chi lê 14

Hình 1.12 Cấu trúc nguồn năng lượng cho xe điện của nhóm nghiên cứu thuộc phòng thí nghiệm L2EP 15

Hình 1.13 Cấu trúc trực tiếp (passive topology) cho hệ HESS 16

Hình 1.14 Cấu trúc bán chủ động (semi-active topology) cho hệ HESS 16

Hình 1.15 Cấu trúc chủ động (active topology) cho hệ HESS 17

Hình 1.16 Biến tần nguồn áp 18

Hình 1.17 Cấu hình hệ thống mạch lực cho ô tô điện của Hori lab 18

Hình 1.18 Cấu trúc mạch lực bộ biến đổi DC-DC hai chiều cách ly 19

Hình 1.19 Chiến lược điều khiển cho bộ biến đổi DC-DC hai chiều cách ly nhiều cổng 19 Hình 1.20 Các lớp điều khiển của bộ điều khiển trung tâm trên ô tô điện 20

Hình 1.21 Các phương pháp quản lý năng lượng [2] 23

Hình 1.22 Cấu trúc điều khiển hệ năng lượng lai ắc quy và siêu tụ cho ô tô điện 27

Hình 1.23 Biểu đồ chu trình chuẩn ECE 28

Hình 1.24 Siêu tụ 62F-125VDC của Nessape 28

Hình 1.25 Hệ thống ắc quy của ô tô i-MiEV 29

Hình 1.26 Động cơ IPM của ô tô i-MiEV 29

Hình 2.1 Các thành phần lực tác động lên ô tô [78] 31

Hình 2.2 Độ méo của lốp và lực cản lăn trên đường cứng (a) và đường mềm (b) [79] 32 Hình 2.3 Lực cản gió 33

Hình 2.4 Sơ đồ thay thế động cơ nam châm chìm trong hệ tọa độ quay đồng bộ 37

Hình 2.5 Cấu trúc siêu tụ (tụ hai lớp) (a) và tụ thường (b) 39

Hình 2.6 Cấu trúc chi tiết siêu tụ 39

Hình 2.8 Mô hình cơ sở của bộ biến đổi converter DC-DC hai chiều

Hình 2.9 Bộ biến đổi Interleave DC-DC không cách ly 44

Hình 2.10 Mô tả bộ biến đổi DC-DC 45

Hình 2.11 Mô hình trung bình của bộ biến đổi DC-DC hai chiều 45

Hình 2.12 Đặc tính động lực học của xe theo tốc độ 46

Hình 2.13 Đặc tính công suất theo tốc độ 47

Hình 2.14 Đặc tính mô men theo tốc độ 47

Hình 2.15 Đặc tính thời gian tăng tốc của xe 48

Hình 2.16 Đặc tính gia tốc tối đa của xe 48

Hình 2.17 Các phần tử của ô tô điện biểu diễn bằng EMR 50

Hình 2.18 “tuning path” và “control path” của bộ điều khiển DC-DC và động cơ 51

Hình 2.19 Mô hình mô phỏng xe ô tô điện i-MiEV bằng EMR 53

Hình 2.20 Tốc độ đặt và tốc độ thực của xe trong mô phỏng trong hai chu trình ECE 53

Hình 2.21 Dòng điện yêu cầu của xe ô tô điện i-MiEV hoạt động với hai chu trình ECE 54 Hình 3.1 Đặc tính Ragone của các thiết bị lưu trữ năng lượng 56

Hình 3.2 Đặc tính Ragone của ắc quy [4] 57

Hình 3.3 Đặc tính Ragone của tụ điện [4] 57

Hình 3.4 Dòng điện ắc quy với bộ điều khiển năng lượng dựa trên tần số 60

Hình 3.5 Dòng điện siêu tụ với bộ điều khiển năng lượng dựa trên tần số 60

Hình 3.6 Điện áp siêu tụ với bộ điều khiển năng lượng dựa trên tần số 61

Hình 3.7 Dòng điện ắc quy, dòng điện bộ biến đổi DC-DC và dòng điện yêu cầu với bộ điều khiển năng lượng dựa trên tần số 61

Hình 3.8 Dòng điện ắc quy, dòng điện siêu tụ và dòng điện yêu cầu với bộ điều khiển năng lượng dựa trên tần số 62

Hình 3.9 Mô hình mô phỏng hệ thống năng lượng trong xe ô tô điện i-MiEV bằng MATLAB dựa trên phương pháp biểu diễn EMR 63

Hình 3.10 Bộ điều khiển mờ 65

Hình 3.11 Cấu trúc bộ điều khiển mờ cho ô tô điện i-MiEV 67

Hình 3.12 Mờ hóa dòng điện yêu cầu (Itract) 67

Hình 3.13 Mờ hóa SoC của siêu tụ 68

Hình 3.14 Khâu giải mờ cho giá trị đặt dòng điện ắc quy 70

Hình 3.15 Mô hình bộ điều khiển mờ trong Matlab 70

Hình 3.16 Dòng điện ắc quy với bộ điều khiển mờ 71

Hình 3.17 Dòng điện siêu tụ với bộ điều khiển mờ 71

Hình 3.20 Dòng điện ắc quy, dòng điện siêu tụ và dòng điện yêu cầu với bộ điều khiển mờ

73

Hình 3.21 Cấu trúc bộ điều khiển kết hợp mờ và bộ lọc thông thấp 74

Hình 3.22 Phân tích phổ dòng điện ắc quy với bộ điều khiển mờ 75

Hình 3.23 Mô hình bộ điều khiển mờ kết hợp bộ lọc thông thấp trong Matlab 75

Hình 3.24 Dòng điện ắc quy với bộ điều khiển mờ kết hợp bộ lọc thông thấp 76

Hình 3.25 Dòng điện siêu tụ với bộ điều khiển mờ kết hợp bộ lọc thông thấp 76

Hình 3.26 Điện áp siêu tụ với bộ điều khiển mờ kết hợp bộ lọc thông thấp 77

Hình 3.27 Dòng điện ắc quy, dòng điện bộ biến đổi DC-DC và dòng điện yêu cầu với bộ điều khiển mờ kết hợp bộ lọc thông thấp 77

Hình 3.28 Dòng điện ắc quy, dòng điện siêu tụ và dòng điện yêu cầu với bộ điều khiển mờ kết hợp bộ lọc thông thấp 78

Hình 3.29 Quá trình tính toán của phương pháp quy hoạch động 84

Hình 3.30 Lưu đồ thuật toán tính toán giá trị tối ưu bằng phương pháp DP cho quản lý năng lượng trong ô tô điện 86

Hình 3.31 Dòng điện ắc quy với phương pháp quy hoạch động theo hướng rời rạc hóa 87 Hình 3.32 Dòng điện siêu tụ với phương pháp quy hoạch động theo hướng rời rạc hóa 87 Hình 3.33 Điện áp siêu tụ với phương pháp quy hoạch động theo hướng rời rạc hóa 88

Hình 3.34 Dòng điện ắc quy, dòng điện bộ biến đổi DC-DC và dòng điện yêu cầu với phương pháp quy hoạch động theo hướng rời rạc hóa 88

Hình 3.35 Dòng điện ắc quy, dòng điện siêu tụ và dòng điện yêu cầu với phương pháp quy hoạch động theo hướng rời rạc hóa 89

Hình 3.36 Lưu đồ tính toán giá trị tối ưu cho giá trị đặt dòng điện ắc quy 93

Hình 3.37 Dòng điện yêu cầu 95

Hình 3.38 Dòng điện đặt ắc quy được xác định bằng phương pháp biến phân 95

Hình 3.39 Dòng điện siêu tụ được xác định bằng phương pháp biến phân 95

Hình 3.40 Điện áp siêu tụ được xác định bằng phương pháp biến phân 96

Hình 3.41 Dòng điện ắc quy, dòng điện bộ biến đổi DC-DC và dòng điện yêu cầu được xác định bằng phương pháp biến phân 96

Hình 3.42 Dòng điện ắc quy, dòng điện siêu tụ và dòng điện yêu cầu được xác định bằng phương pháp biến phân 97

Hình 4.1 Mô phỏng HIL cấp tín hiệu 101

Hình 4.2 Mô phỏng HIL cấp công suất 101

Hình 4.3 Mô phỏng HIL cấp cơ khí 102

Hình 4.5 Cấu trúc giao tiếp giữa HIL 402 và board mạch DSP 104

Hình 4.6 Cấu trúc hệ thống phần cứng của i-MiEV trong HIL402 104

Hình 4.7 Hệ thống mô phỏng thời gian thực sử dụng HIL402 và board mạch DSP 105

Hình 4.8 Tốc độ, dòng điện yêu cầu, dòng điện của siêu tụ và dòng điện của ắc-quy trong mô hình HIL của Typhoon 105

Hình 4.9 Đặc tính tốc độ xe trong mô hình HIL của Typhoon 106

Hình 4.10 Dòng điện yêu cầu trong mô hình HIL của Typhoon 106

Hình 4.11 Dòng điện ắc quy trong mô hình HIL của Typhoon 106

Hình 4.12 Dòng điện siêu tụ trong mô hình HIL của Typhoon 107

Hình 4.13 Phân tích phổ dòng điện yêu cầu tại tần số 0.01 Hz 107

Hình 4.14 Phân tích phổ dòng điện của siêu tụ tại tần số 0.01 Hz 108

Hình 4.15 Phân tích phổ dòng điện của ắc-quy tại tần số 0.01 Hz 108

Hình 4.16 Siêu tụ 56F/16,2VDC của hãng Maxwell 109

Hình 4.17 Thiết kế cơ sở cho bộ biến đổi công suất 109

Hình 4.18 Card vi điều khiển DSP TMS32F28069M 110

Hình 4.19 Thiết kế cơ sở mạch đo 110

Hình 4.20 Ắc quy làm thí nghiệm 111

Hình 4.21 Mô hình mô phỏng HIL thu nhỏ của hệ thống quản lý năng lượng 112

Hình 4.22 Cấu trúc hệ thống thực nghiệm 113

Hình 4.23 Xung vuông từ chân PWM của vi điều khiển quan sát trên Oscilloscope 113

Hình 4.24 Dòng điện siêu tụ quan sát trên máy tính qua truyền nhận dữ liệu nối tiếp với vi điều khiển 114

Hình 4.25 Xung PWM các nhánh van interleaved ở chế độ nạp siêu tụ 115

Hình 4.26 Dòng điện các nhánh van ở chế độ nạp siêu tụ 115

Hình 4.27 Xung PWM các nhánh van interleaved ở chế độ xả siêu tụ 115

Hình 4.28 Dòng điện các nhánh van ở chế độ xả 116

Hình 4.29 Dòng điện đặt , dòng điện tổng các nhánh van quan sát trên máy tính 116

Hình 4.30 Đập mạch dòng điện siêu tụ 117

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của luận án:

Quản lý năng lượng hiện đang là hướng nghiên cứu quan trọng của lĩnh vực nghiên cứu

về ô tô điện, một phương tiện di chuyển được coi là sẽ thay thế hoàn toàn cho ô tô sử dụngnhiên liệu hóa thạch trong tương lai gần Hiện nay, các ô tô điện thương phẩm sử dụng chủ yếu

ắc quy làm thiết bị lưu trữ năng lượng chính Ắc quy đang được cho là thiết bị phù hợp nhất với

ô tô điện với những ưu thế nổi trội về mật độ năng lượng lớn và khả năng vận hành trong cácđiều kiện khắc nghiệt Tuy nhiên, nhược điểm về khả năng huy động công suất (mật độ côngsuất thấp) và thu hồi năng lượng (quá trình sạc xảy ra chậm) giới hạn khả năng hãm tái sinh vàhuy động công suất của hệ thống Với đặc điểm vận hành của thiết bị di chuyển nói chung việctăng tốc và giảm tốc diễn ra thường xuyên dẫn đến huy động công suất theo cả hai chiều cũngbiến động mạnh, đây là nguyên nhân chính gây suy giảm tuổi thọ ắc quy Vì những lý do này

mà các nghiên cứu trong hướng nghiên cứu về quản lý năng lượng sử dụng thêm siêu tụ để trợgiúp ắc quy trong việc thu hồi năng lượng và huy động công suất ngắn hạn, việc này sẽ giúp giatăng quãng đường di chuyển của ô tô điện cũng như tuổi thọ của ắc quy

Khi hệ thống lưu trữ năng lượng chuyển từ sử dụng duy nhất ắc quy thành hệ thốnglưu trữ năng lượng lai ắc quy – siêu tụ sẽ phát sinh vấn đề phân phối công suất yêu cầu từ

hệ thống cho từng thiết bị lưu trữ năng lượng Luận án này sẽ tập trung vào việc quản lýnăng lượng (phân phối công suất cho từng thiết bị lưu trữ năng lượng) sao cho hiệu quảtrong mục tiêu tối đa hóa tuổi thọ ắc quy, thành phần có giá cao nhất trên ô tô điện

Mục tiêu nghiên cứu của luận án:

Luận án sẽ tập trung vào việc thiết kế các bộ điều khiển dòng năng lượng theohướng gia tăng tuổi thọ ắc quy Việc này sẽ thông qua việc giảm thiểu hai yếu tố ảnh hưởngđến tuổi thọ ắc quy là tần số, dòng điện đỉnh và tổn hao nội tại của ắc quy

Phương pháp nghiên cứu của luận án:

Các phương pháp quản lý năng lượng được chia làm hai hướng chính là các phươngpháp dựa trên luật điều khiển và các phương pháp tối ưu hóa

Các phương pháp dựa trên luật điều khiển dựa trên kiến thức và kinh nghiệm củangười thiết kế về đối tượng để tổng hợp các bộ điều khiển Các phương pháp này có ưuđiểm là trực quan và phù hợp với điều khiển thời gian thực Tuy nhiên, do hoàn toàn phụthuộc vào kiến thức và kinh nghiệm của người thiết kế mà không dựa trên các thuật toán tối

ưu nên không thể đạt tới kết quả tối ưu

Các phương pháp tối ưu hóa đặt vấn đề cần giải quyết vào bối cảnh của phương pháp tối

ưu hóa và sử dụng các công cụ toán học để tìm lời giải tối ưu Thường các phương pháp tối ưuhóa sẽ tồn tại các ràng buộc, hàm mục tiêu (cost function) và hàm phạt (penalty in the costfunction) Các lý thuyết tối ưu giải quyết dựa trên các ràng buộc, hàm mục tiêu và hàm phạt đểđưa ra giá trị cực tiểu hoặc cực đại làm kết quả Các phương pháp tối ưu hóa có ưu điểm là giảibài toán tối ưu cho kết quả tối ưu toàn cục, trong khi đó các phương pháp cận tối ưu cho kết quảtiệm cận tối ưu và có khả năng điều khiển thời gian thực Tuy nhiên, nhược điểm của cácphương pháp tối ưu hóa là sự phức tạp trong giải quyết vấn đề dẫn đến các phương pháp nàyđòi hỏi rất cao về tài nguyên tính toán và không thể điều khiển thời gian thực Các phương

pháp cận tối ưu có thể đạt được kết quả tốt trong điều khiển thời gian thực tuy nhiên cácphương pháp này yêu cầu rất khắt khe với mô hình đối tượng (một việc không dễ giải quyếttrong thực tế).

Trong phạm vi luận án, tác giả sẽ mô hình hóa và mô phỏng hệ thống để khảo sátnhu cầu năng lượng của một trường hợp cụ thể để từ đó thiết kế bộ điều khiển với nguyêntắc chung cho hệ thống lưu trữ năng lượng lai siêu tụ - ắc quy Các bộ điều khiển được thiết

kế bằng cả hai nhóm phương pháp dựa trên luật điều khiển và nhóm phương pháp tối ưuhóa Với nhóm các phương pháp dựa trên luật điều khiển thì hai phương pháp được chọn làphương pháp tần số và điều khiển mờ Với nhóm các phương pháp tối ưu hóa thì haiphương pháp được chọn là quy hoạch động (Dynamic Programing) và biến phân Mục tiêucủa các bộ điều khiển là giải quyết vấn đề tối đa hóa tuổi thọ ắc quy với các biến trạng thái

là điện áp siêu tụ, dòng điện yêu cầu của hệ thống và tốc độ xe, cùng với đó biến điều khiển

là dòng điện đặt cho ắc quy Việc điều khiển dòng điện ắc quy được dựa trên bộ DC-DC nốigiữa siêu tụ và DC bus chính là điện áp ắc quy

Các kết quả được mô phỏng kiểm chứng và đánh giá, riêng kết quả của phươngpháp dựa trên tần số được kiểm chứng bằng hệ thống mô phỏng thời gian thực HIL 402 củahãng Typhoon

Đóng góp của luận án:

Tác giả đề xuất hai thuật toán mới trong quản lý năng lượng là:

- Thuật toán kết hợp giữa bộ điều khiển mờ với bộ điều khiển dựa trên tần số;

- Thuật toán sử dụng phương pháp biến phân

Cấu trúc luận án:

Luận án được chia làm 4 chương, gồm:

Chương 1: Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện Chương này sẽ trình bày

về các cấu trúc đã và đang được nghiên cứu của ô tô điện cũng như tình hình nghiên cứu trong

và ngoài nước về ô tô điện nói chung và quản lý năng lượng cho ô tô điện nói riêng

Chương 2: Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống năng lượng trong ô tô điện Phần này

đề cập đến quá trình mô hình hóa toàn bộ hệ thống với các thành phần động lực học của ô

tô điện, các thiết bị lưu trữ năng lượng và các cơ cấu chấp hành gồm động cơ và các bộ biếnđổi Sau đó, với những mô hình đã có tác giả tiến hành mô phỏng hệ thống để có được đặctính cơ bản của hệ thống Đây là cơ sở để thiết kế bộ điều khiển

Chương 3: Thiết kế các bộ điều khiển cho hệ thống năng lượng trong ô tô điện.Chương này thiết kế và tính toán các bộ điều khiển cho hệ thống bằng các phương phápđiều khiển thời gian thực và các phương pháp tối ưu hóa

Chương 4: Xây dựng mô hình mô phỏng thời gian thực cho hệ thống năng lượng trong

ô tô điện Chương này trình bày các phương pháp xây dựng mô hình và kết quả của mô phỏng thời gian thực và mô hình thực nghiệm

Kết luận Đây là phần trình bày về đánh giá các kết quả đạt được, các hạn chế của luận án và hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÝ NĂNG

LƯỢNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN

1.1 Khái quát về đối tượng nghiên cứu

1.1.1 Phân loại ô tô điện và các ưu điểm và nhược điểm của ô tô điện

Trong phạm vi nghiên cứu, ô tô điện được chia làm ba loại là ô tô lai (lai xăng điện),

ô tô thuần điện sử dụng ắc quy và ô tô thuần điện sử dụng fuel cell Trong phạm vi luận án,tác giả viết tắt ô tô lai là HEVs, ô tô thuần điện sử dụng ắc quy là EVs, ô tô thuần điện sửdụng fuel cell là FCEVs

a) Ô tô lai (HEVs)

HEVs sử dụng cả động cơ đốt trong và động cơ điện với các cấu trúc như Hình 1.1gồm các cấu trúc nối tiếp, song song, nối tiếp – song song và phức hợp

Ưu điểm của HEVs:

Nhược điểm của HEVs:

Với những ưu nhược điểm kể trên, HEVs hiện đang là loại ô tô điện phổ biến nhấttrên thị trường và hầu hết các hãng xe đều có phiên bản thương mại với doanh số chỉ trongquý bốn năm 2019 đã lên đến 100.233 chiếc [1] Tuy nhiên, HEVs chỉ được coi là bước quá

độ chuyển từ ô tô sử dụng nhiên liệu hóa thạch truyền thống sang ô tô thuần điện (đượcđánh giá là ô tô của tương lai) để khắc phục những nhược điểm còn tồn tại của của HEVs

b) Ô tô điện fuel cell (FCEVs):

FCEVs sử dụng duy nhất động cơ điện với hệ thống lưu trữ năng lượng chính fuel cell

Về phương diện hóa học fuel cell là phản ứng ngược lại của sự điện phân Trong quátrình điện phân nước bị tách ra thành khí hydro và khí ôxy nhờ vào năng lượng điện thì fuelcell là bình khí hydro kết hợp với ôxy trong không khí để biến thành điện với sản phẩm phụ

Ưu điểm của FCEVs:

ứng mô-men nhanh (có thể đáp ứng trong thời gian tính bằng mili giây)

cầu như ô tô truyền thống

Hình 1.1 Các cấu trúc truyền động của ô tô lai [2]

của động cơ qua đó áp đặt mô men nhanh và chính xác

thời gian đổ xăng cho xe ô tô truyền thống, thậm chí nhanh hơn)

Nhược điểm của FCEVs:

Hình 1.2 Fuel cell

Với những phân tích trên, FCEVs tuy được nghiên cứu và phát triển song song với

Việt Nam hoặc các nước quá lạnh Ngoài ra, với việc không có khả năng hãm tái sinh thìFCEVs bắt buộc phải có các thiết bị lưu trữ năng lượng phụ trợ để có thể thu hồi nănglượng trong quá trình phanh hãm Có thể kết luận với những nhược điểm khó khắc phụcnhư vậy thì FCEVs khó có thể cạnh tranh với EVs trong tương lai gần

c) Ô tô điện ắc quy (EVs)

EVs sử dụng duy nhất động cơ điện với hệ thống lưu trữ năng lượng chính là ắc quy

Ưu điểm của EVs:

ứng mô-men nhanh (có thể đáp ứng trong thời gian tính bằng mili giây)

cầu như ô tô truyền thống

động cơ qua đó áp đặt mô men nhanh và chính xác

phanh cơ khí

Nhược điểm của EVs:

EVs được coi là ô tô của tương lai, tuy nhiên trong thời điểm hiện tại, với nhữnggiới hạn về công nghệ lưu trữ năng lượng mà thị phần của EVs đang khiêm tốn so vớiHEVs nhưng đang vượt trội so với FCEVs (22.237 so với 2.006 trong doanh số năm 2019)[1] Hiện nay trên thị trường châu Âu, Bắc Mỹ và Nhật Bản đã có các phiên bản ô tô chỉchạy bằng động cơ điện là Mitsubishi iMiEV, Nissan Leaf và Tesla v.v

Để khắc phục các nhược điểm của EVs hướng phát triển tiếp theo của EVs sẽ là

- Nghiên cứu sử dụng công nghệ nano carbon để chế tạo pin, ắc quy Lithium thế hệmới để tăng nguồn năng lượng tích trữ trên một đơn vị thể tích, tăng tuổi thọ, giảmkích thước, giảm thời gian nạp.

động và quá trình hãm, dừng EVs

năng lượng một cách nhanh chóng trong quá trình phanh hãm

điện không tiếp xúc cho EVs liên tục trong quá trình di chuyển

Hình 1.4 Ô tô điện Nissan Leaf (ra mắt tháng 12 năm 2010)

1.1.2 Khái quát về các thiết bị lưu trữ năng lượng sử dụng trên EVs

Như đã phân tích ở phần 1.1.1, EVs sẽ sử dụng nguồn năng lượng chính là ắc quytuy nhiên để gia tăng hiệu quả sử dụng ắc quy thì EVs sẽ cần các thiết bị lưu trữ năng lượngphụ trợ Để làm rõ mục đích sử dụng của các nguồn năng lượng ta cần quan tâm đến mật độcông suất và mật độ năng lượng

Khái niệm mật độ công suất và mật độ năng lượng

Theo [3], hệ lưu trữ năng lượng trên ô tô điện được quan tâm nghiên cứu từ rất sớm(1968) và hai tham số được cho là quan trọng nhất của ESS là mật độ công suất và mật độnăng lượng Trong đó, mật độ năng công suất được tính dựa trên tỉ số giữa trọng lượng vàkhả năng huy động công suất, đơn vị là W/kg Mật độ năng lượng được tính dựa trên tỉ sốgiữa trọng lượng và khả năng lưu trữ năng lượng, đơn vị là Wh/kg Hai tham số này là cơ

sở để so sánh các thiết bị lưu trữ năng lượng, khi đánh giá tính phù hợp của thiết bị lưu trữnăng lượng được sử dụng trên các thiết bị di chuyển sử dụng động cơ điện như ô tô, tàu hỏahoặc tàu thủy Tuy nhiên, theo thông thường hai tham số này thường tỉ lệ nghịch với nhau(Hình 1.6) nên việc lựa chọn sẽ cần có trọng số để xác định thiết bị lưu trữ năng lượng tối

ưu (đặc tính mật độ công suất và mật độ năng lượng được đặt tên là Ragone plane)

Hình 1.7 Cấu trúc (a) và mặt cắt của pin li-ion (b)

Tuy nhiên, ắc quy li-ion vẫn tồn tại các nhược điểm sau [5]:

- Hiệu suất phụ thuộc vào nhiệt độ

Với đặc tính vận hành của EVs là:

Điều này dẫn đến hệ lưu trữ năng lượng sẽ phải đáp ứng các yêu cầu sau:

Như đã trình bày ở trên và theo [4, 5] các đặc tính của quá trình vận hành sẽ ảnhhưởng lớn đến tuổi thọ ắc quy, thành phần có giá thành cao nhất của ô tô điện Vì vậy, xuthế nghiên cứu của thế giới là sử dụng các hệ lưu trữ năng lượng lai (HESS) để khắc phụccác nhược điểm của hệ lưu trữ năng lượng truyền thống sử dụng pin li-ion và đáp ứng đượccác yêu cầu đặt ra cho hệ lưu trữ năng lượng sử dụng cho ô tô điện gồm:

Với hệ lưu trữ năng lượng lai (HESS) sẽ có khái niệm main-supplier (nguồn chính)

chính của HESS Khi đó, chúng ta sẽ phải chọn nguồn hỗ trợ cho ắc quy với tiêu chí giảm thiểu các yếu tố làm giảm tuổi thọ ắc quy, đó là:

so với micro fara)

Cấu trúc đặc biệt như vậy, siêu tụ sẽ có những ưu điểm như sau:

Tuy nhiên, siêu tụ vẫn tồn tại các nhược điểm sau:

Ngoài ra, tự trọng của siêu tụ chỉ tính bằng kg (vài kg đến vài chục kg) nên phù hợp với các thiết bị vận tải nhẹ tự trọng thấp như ô tô du lịch

1.2 Cấu trúc của EVs

Trong phạm vi nghiên cứu, EVs sẽ được cấu thành từ các thành phần chính sau đây:

1.2.1 Động cơ sử dụng trên EVs

Hầu hết các loại động cơ đều có thể sử dụng trên ô tô điện, tuy nhiên động cơ phù hợp với ô tô điện (Hình 1.8) cần thỏa mãn các điều kiện sau:

- Hiệu suất cao

Hình 1.8 Các loại động cơ sử dụng cho ô tô điện

a) Động cơ không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ có hai loại chính là động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc

và động cơ không đồng bộ rotor dây quấn

Động cơ không đồng bộ rotor dây quấn với ưu điểm là:

- Linh hoạt hơn với điều khiển tốc độ do có thể điều khiển thông qua các cuộn dây rotor

Tuy nhiên, động cơ không đồng bộ rotor dây quấn tồn tại những nhược điểm là:

động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu nhưng thấp hơn động cơ một chiều

Vì những nhược điểm của động cơ không đồng bộ rotor dây quấn mà chúng không phù hợp với ô tô điện

Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có những ưu thế sau:

dây quấn nhưng thấp hơn động cơ đồng bộ

- Khi xét đến an toàn khi vận hành thì động cơ không đồng bộ nói chung có ưu điểmrất lớn về việc khi bánh xe quay ngoài ý muốn thì trên đầu cực stator không phátsinh điện, việc này sẽ giảm thiểu khả năng cháy nổ, chạm chập trên xe.

Tuy nhiên, động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc cũng có những nhược điểm riêng:

Khi động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc hoạt động với biến tần có những thuậttoán tối ưu thì các nhược điểm trên của động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc hầu như đãđược khắc phục trừ mật độ công suất so với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu Với cácthuật toán kể trên, động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc:

Vì những lý do trên, hiện nay Tesla đang sử dụng động cơ không đồng bộ rotor lồngsóc cho các thương phẩm của hãng Ngoài ra, các ô tô điện hiện có của hãng Tesla đang sửdụng các động cơ và hệ thống ắc quy theo xe có công suất lớn

b) Động cơ đồng bộ

Động cơ đồng bộ có hai loại chính là kích từ vĩnh cửu và kích từ độc lập Với cấutạo phải có nguồn cấp cũng như cuộn kích từ riêng nên động cơ đồng bộ kích từ độc lậpkhông có ưu thế về mật độ công suất, giá thành, vì vậy dạng động cơ này thường được ứngdụng với các gam công suất lớn nên không phù hợp với ứng dụng EVs Vì vậy, tác giả sẽphân tích sâu về ưu nhược điểm của đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Ưu điểm của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu là:

Tuy nhiên, song song với các ưu điểm thì động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cũngtồn tại những nhược điểm

Với những tiến bộ của các nghiên cứu trong lĩnh vực truyền động điện thì việc khởiđộng và điều khiển đồng bộ nam châm vĩnh cửu không còn là vấn đề, chính vì vậy đồng bộnam châm vĩnh cửu đang được sử dụng rất phổ biến trên các ô tô điện thành phẩm như i-MiEV của Mitsubishi hay Nissan LEAF của Nissan

1.2.2 Cấu trúc hệ thống lưu trữ năng lượng

Như đã phân tích ở phần 1.2.2, ắc quy có lợi thế về mật độ năng lượng, trong khisiêu tụ có lợi thế về mật độ công suất Như vậy, các hướng nghiên cứu để tận dụng được ưuthế của mật độ năng lượng và mật độ công suất trong quản lý năng lượng trên ô tô điện trênthế giới chủ yếu sẽ xoay quanh ắc quy và siêu tụ Khái niệm hệ thống lưu trữ năng lượng lai(Hybrid Energy Storage System – HESS) ra đời với mục đích tối ưu khả năng của các thiết

bị lưu trữ năng lượng bằng cách kết hợp chúng với nhau

Do ắc quy có lợi thế về mật độ năng lượng nên chúng thường được sử dụng làmnguồn năng lượng chính (Main source) và siêu tụ có lợi thế về mật độ công suất nên chúngthường được sử dụng là nguồn năng lượng phụ trợ (Sub source) Như vậy ắc quy sẽ đảmtrách cung cấp năng lượng cho xe trong toàn quá trình còn siêu tụ sẽ trợ giúp ắc quy trongcác quá trình yêu cầu công suất lớn như quá trình tăng tốc và hãm tái sinh

Việc kết hợp các thiết bị lưu trữ năng lượng sẽ có các cấu trúc khác nhau và chúng

sẽ có những ưu nhược điểm nhất định Do các thiết bị lưu trữ năng lượng thường có cấpđiện áp khác nhau và cần điều khiển dòng năng lượng nên chúng sẽ được nối với bus DCqua bộ DC-DC Vì vậy, cấu hình của HESS là cách đấu nối các thiết bị lưu trữ năng lượngvới nhau thông qua một hay nhiều bộ DC-DC

Nhóm đã sử dụng điều khiển mờ để điều khiển xe ô tô điện (Hình 1.9) với ba thiết bịlưu trữ năng lượng là pin nhiên liệu (fuel cells), ắc quy và siêu tụ năm 2006 [6]

Hình 1.9 Cấu trúc nguồn năng lượng cho xe điện của trường Shahid Beheshti, Iran

Việc kết hợp ba thiết bị lưu trữ năng lượng sẽ tối đa hóa được tất cả các ưu điểm của cả

ba thiết bị lưu trữ năng lượng đặc biệt là quãng đường di chuyển (do có đến hai thiết bị lưu trữnăng lượng thuộc nhóm Main source) và thời gian nạp nhiên liệu của fuel cell Tuy nhiên,nhược điểm chính của hệ thống là rất khó khăn trong tối ưu hóa, do có nhiều bậc tự do Chính vì

lý do này nhóm đã phải sử dụng phương pháp mờ để tận dụng các kinh nghiệm thay vì sử dụngmột phương pháp tối ưu hóa Cũng sử dụng điều khiển mờ cho hệ thống lưu trữ năng

lượng sử dụng fuel cells, ắc quy và siêu tụ là nhóm nghiên cứu của trường Yildiz Technical University, Thổ Nhĩ Kỳ trong công bố [7]

Nhóm nghiên cứu này cũng sử dụng điều khiển mờ để điều khiển ô tô điện (Hình1.10), và cấu trúc này khá tương đồng với đối tượng nghiên cứu của luận án là chỉ sử dụng

ắc quy và siêu tụ làm nguồn năng lượng [8]

Hình 1.10 Cấu trúc nguồn năng lượng cho xe điện của Trường Đại học Cranfield, Anh

Catolica de Chile, Chi lê

Việc kết hợp ắc quy và siêu tụ sẽ phát huy được cả mật độ công suất và mật độ nănglượng Khi đó, với số bậc tự do chỉ là một thì bài toán tối ưu sẽ có khả năng giải được.Ngoài ra, ta có thể tìm thấy các kết quả nghiên cứu về ô tô điện với cấu hình hệ thống nănglượng lai siêu tụ - ắc quy trong các công bố của phòng thí nghiệm giáo sư Juan W Dixon,một nhóm nghiên cứu lâu năm về siêu tụ và ô tô điện cũng sử dụng hệ siêu tụ và ắc quy nhưHình 1.11 [9]:

Hình 1.11 Cấu trúc nguồn năng lượng cho xe điện của trường

Pontificia Universidad Catolica de Chile, Chi lê

Ngoài ra, hệ thống năng lượng lai siêu tụ - ắc quy còn có thể được sử dụng trên HEVs như trong [10-12]

Tương tự như hệ thống năng lượng lai siêu tụ - ắc quy, hệ thống năng lượng lai siêu tụ

- fuel cell cũng được nghiên cứu, tuy nhiên do những hạn chế của fuel cell như đã trình bày ở1.2.2 mà các nghiên cứu này cũng bị hạn chế Ta có thể gặp cấu trúc này trong công bố [13]

hợp với giáo sư João Pedro F Trovão thuộc đại học Sherbrooke, Canada:

Đây là một nhóm nghiên cứu mạnh về ô tô điện với trên ba mươi năm kinh nghiệmnghiên cứu Lĩnh vực nghiên cứu của nhóm trải đều trên cả ba loại hình ô tô điện là EVs, HEVs

và FCEVs Hướng quản lý năng lượng trên EVs của nhóm rất tương đồng với hướng nghiêncứu của luận án khi sử dụng hệ thống ắc quy làm DC link kết nối với siêu tụ thông qua một bộDC-DC hai chiều (Hình 1.12) Trong quá trình nghiên cứu và phát triển, nhóm đã có rất nhiềunghiên cứu về quản lý năng lượng với số lượng hơn năm mươi bài báo tạp chí uy tín và gần haitrăm bài báo hội nghị của riêng giáo sư Alain Bouscayrol Tuy nhiên, hướng nghiên cứu củaNCS Nguyễn Bảo Huy (đã bảo vệ thành công) dưới sự hướng dẫn của giáo sư Alain Bouscayrol

và giáo sư João Pedro F Trovão là gần nhất với phạm vi luận án Các kết quả nghiên cứu củaluận án rất phong phú khi đề cập tới nhiều phương án điều khiển hiện đại và hàm lượng khoahọc cao Về nhóm các phương pháp tối ưu, nhóm đã nghiên cứu sử dụng phương pháp quyhoạch động theo hướng rời rạc hóa để quản lý năng lượng cho hệ thống lưu trữ năng lượng lai

ắc quy – siêu tụ [14-16] và sử dụng phương pháp thích nghi cho nguyên lý cực đại Pontryagin(PMP) để có thể điều khiển thời gian thực cho hệ thống [17, 18] Bên cạnh những phương pháptối ưu, nhóm nghiên cứu cũng đề xuất một phương án hiệu quả để giảm thiểu biến thiên dòngđiện ắc quy bằng cách mở rộng dải hoạt động của điện áp siêu tụ [19] Các kết quả nghiên cứuđều được kiểm chứng bằng mô phỏng dựa trên phương pháp biểu diễn vĩ mô năng lượng(EMR) và hệ thống mô phỏng thời gian thực

Hình 1.12 Cấu trúc nguồn năng lượng cho xe điện của nhóm nghiên cứu thuộc phòng thí

nghiệm L2EP

Cấu trúc kết nối giữa các thiết bị lưu trữ năng lượng cũng là vấn đề cần lựa chọn.Hiện nay, khi sử dụng cấu trúc HESS giữa siêu tụ và ắc quy có ba cách chính là cấu trúctrực tiếp (passive topology), cấu trúc bán chủ động sử dụng một bộ DC-DC (semi-activetopology) và cấu trúc chủ động sử dụng hai bộ DC-DC (active topology) [2]

Cấu trúc trực tiếp (passive topology)

Đây là cấu trúc đơn giản nhất cho hệ HESS giữa siêu tụ và ắc quy (Hình 1.13).Trong đó, ắc quy và siêu tụ được kết nối trực tiếp với nhau và đó cũng là DC bus của hệthống cung cấp năng lượng cho hệ thống truyền động Như đã trình bày ở trên, nội trở củasiêu tụ nhỏ hơn ắc quy rất nhiều cũng như đặc tính động học (dynamics) của siêu tụ nhanhhơn rất nhiều so với ắc quy (hằng số thời gian 1 giây so với 100 giây), vì vậy với cấu trúcnày siêu tụ sẽ tự động đảm nhiệm các thành phần biến thiên nhanh của dòng dòng điện yêucầu từ phía phụ tải (hệ truyền động)

Cấu trúc này sẽ có những ưu nhược điểm như sau:

Ưu điểm :

Nhược điểm:

Như vậy cấu trúc này chỉ có thể áp dụng cho các EVs loại nhỏ với động cơ sử dụngđiện áp thấp, vì khi tăng điện áp DC bus cũng đồng nghĩa với việc tăng điện áp siêu tụ, mànhư phân tích ở phần 1.1.2 thì việc tăng điện áp siêu tụ hiện đang là một thách thức lớn chongành công nghệ vật liệu Cấu trúc này có thể tìm thấy trong các công bố [20-23]

Hình 1.13 Cấu trúc trực tiếp (passive topology) cho hệ HESS

Hình 1.14 Cấu trúc bán chủ động (semi-active topology) cho hệ HESS

Cấu trúc bán chủ động (semi-active topology)

Để phát huy hiệu quả siêu tụ trong việc trợ giúp ắc quy cũng như gia tăng điện áp

DC bus mà không phụ thuộc vào siêu tụ thì cấu trúc bán chủ động (Hình 1.14) được đưa ra

để khắc phục các nhược điểm của cấu trúc trực tiếp

Khi đó điện áp ắc quy đóng vai trò DC bus và siêu tụ nối với DC bus thông qua một

bộ DC-DC hai chiều Với cấu trúc này, các thuật toán điều khiển phân phối dòng nănglượng có thể được triển khai để phân chia công suất yêu cầu cho từng thiết bị lưu trữ nănglượng thông qua điều khiển dòng điện bằng bộ DC-DC

Cấu trúc này sẽ có những ưu nhược điểm như sau:

Ưu điểm :

Nhược điểm:

Như vậy cấu trúc này chỉ có thể áp dụng cho các EVs cỡ trung với động cơ sử dụngđiện áp trung bình vì khi tăng điện áp DC bus cũng đồng nghĩa với việc tăng điện áp ắcquy Việc đấu nối ắc quy (mỗi chiếc chỉ 12V) lên điện áp cao cũng là một thách thức trongviệc cân bằng năng lượng giữa các ắc quy được nối nối tiếp với nhau với số lượng lớn Cấutrúc này hiện đang được sử dụng rất phổ biến trong nghiên cứu quản lý năng lượng cho EVs

sử dụng HESS nói chung và HESS ắc quy – siêu tụ nói riêng Tuy nhiên, để có những phântích sâu về cấu trúc này ta có thể tìm thấy trong các công bố [24-27]

Hình 1.15 Cấu trúc chủ động (active topology) cho hệ HESS

Cấu trúc chủ động (active topology)

Để khắc phục nhược điểm của cấu trúc bán chủ động (semi-active topology), ta cóthể sử dụng cấu trúc chủ động (Hình 1.15) cho hệ HESS bằng cách bổ sung thêm một bộDC-DC vào trong cấu hình bán chủ động Khi đó cả ắc quy và siêu tụ đều được nối với DCbus thông qua bộ DC-DC Như vậy giá trị của DC bus không còn phụ thuộc vào điện áp ắcquy hay siêu tụ mà chỉ phụ thuộc vào bộ biến đổi DC-DC

Cấu trúc này sẽ có những ưu nhược điểm như sau:

Ưu điểm :

Kết luận: Với những phân tích ở trên tác giả chọn hệ năng lượng lai giữa ắc quy và

siêu tụ với một bộ DC-DC và coi điện áp ắc quy chính là DC bus

1.2.3 Các bộ biến đổi công suất

Như đã trình bày ở trên mục 1.2.1 và 1.2.2, hệ thống truyền động của đối tượngnghiên cứu sử dụng động cơ IPM và hệ lưu trữ năng lượng sử dụng ắc quy và siêu tụ nên hệthống sẽ cần hai bộ biến đổi công suất là DC-DC cho hệ lưu trữ năng lượng lai và DC-AC

để cung cấp nguồn cho động cơ IPM

Do đối tượng nghiên cứu tập trung vào quản lý năng lượng nên luận án sẽ không đềcập tới các thành tựu mới của bộ biến đổi DC-AC cấp nguồn cho động cơ IPM mà sẽ sửdụng cấu trúc truyền thống như trên Hình 1.16

Hình 1.16 Biến tần nguồn áp

Với bộ DC-DC, đây là một lĩnh vực phù hợp với cấu trúc hệ năng lượng lai pin li- ion siêu tụ nên cần có sự đánh giá chi tiết

Cấu hình buck-boost hai chiều không cách ly

Trong các phiên bản xe điện của Hori lab của trường đại học Tokyo thì cấu hình công suất được sử dụng trong nghiên cứu như sau [31]:

Hình 1.17 Cấu hình hệ thống mạch lực cho ô tô điện của Hori lab

Đây là cấu hình công suất kinh điển không cách ly cho hệ thống công suất lai giữa

ắc quy và siêu tụ điện

Cấu hình công suất này có những ưu điểm là:

Tuy nhiên cấu hình này đang vẫn tồn tại một số nhược điểm như sau:

lớn (hệ số boost tối ưu là 2 nên dải boost không nên quá 4)

- Khi có sự cố với van công suất đặc biệt là nếu van hỏng ở trạng thái ngắn mạch thì nguy cơ hỏng siêu tụ là rất lớn

Cấu hình buck-boost hai chiều cách ly

Hiện nay, cấu trúc mạch DC-DC nhiều cửa cách ly đang được nghiên cứu nhiều.Cấu trúc này dựa trên mạch từ (biến áp xung) để chuyển đổi công suất hai chiều

Hình 1.18 Cấu trúc mạch lực bộ biến đổi DC-DC hai chiều cách ly

Cấu trúc này được Haimin Tao lần đầu tiên giới thiệu vào năm 2005 [32] và nhóm đã cókhoảng 49 công trình được công bố trên hệ thống các hội nghị và tạp chí của IEEE Theonguyên tắc mà Haimin Tao đưa ra thì số lượng cổng của bộ DC-DC hai chiều sẽ là không giớihạn Tuy nhiên, khi số lượng cổng tăng lên thì thuật toán điều khiển sẽ phức tạp lên rất nhiều, vìvậy mà hiện nay các bài báo được công bố chủ yếu vẫn chỉ dừng lại ở ba cổng

Hình 1.19 Chiến lược điều khiển cho bộ biến đổi DC-DC hai chiều cách ly nhiều cổng

Đến năm 2006, H Tao và các cộng sự đã hoàn thiện được cấu trúc các bộ biến đổiDC-DC hai chiều cách ly ba cổng về mặt cấu hình công suất và sơ lược về chiến lược điềukhiển [33].

Ưu điểm của bộ biến đổi DC-DC hai chiều cách ly:

- Cấp áp của các nguồn hoàn toàn có thể biến động một cách chủ động nhờ tỷ số biến áp

Nhược điểm của bộ biến đổi DC-DC hai chiều cách ly:

1.2.4 Bộ điều khiển trung tâm

Hình 1.20 cho thấy các lớp điều khiển cấu thành bộ điều khiển trung tâm của ô tô điện.Trong đó, các thông tin và tín hiệu đo được của xe cơ bản sẽ gồm:

có thể thiết kế được nên luận án sẽ kế thừa phần điều khiển động cơ và phần điều khiểnchuyển động của nghiên cứu sinh khác cũng thuộc nhóm ô tô điện [34-37] Hơn nữa, trongphạm vi nghiên cứu luận án sẽ coi bộ điều khiển năng lượng (quản lý năng lượng) là vòngngoài cùng nên vấn đề xe tự lái (autonomous) sẽ không được đề cập tới

Hình 1.20 Các lớp điều khiển của bộ điều khiển trung tâm trên ô tô điện

Điều khiển động cơ truyền động (Motor Control)

Như đã trình bày ở phần 1.2.1, động cơ sử dụng trong truyền động thuộc phạm vi luận án là

hợp này người lái sẽ đóng vai trò bộ điều khiển tốc độ thông qua chân ga nên động cơ sẽ đượcđiều khiển ở chế độ mô men Vấn đề điều khiển sẽ được giải quyết ở phần sau của luận án.

Điều khiển chuyển động (Motion Control)

Mục tiêu của điều khiển chuyển động chính là an toàn, nên trên ô tô nói chung (cả ô tôtruyền thống và ô tô điện) các vấn đề của điều khiển chuyển động thường là chống trượt, chống

bó cứng, điều khiển phanh, chống lật v.v Thường điều khiển chuyển động cần các thông sốliên quan đến trạng thái xe, nên nó thường được gắn với đo lường và ước lượng trạng thái Cáctrạng thái cần có của ô tô điện thường là tốc độ xe theo các phương, tốc độ bánh xe, mô menđộng cơ, hệ số ma sát, gia tốc xe theo các phương và độ trượt Nghiên cứu điều khiển chuyểnđộng cho xe điện có tính đến ước lượng và phân tích mặt đường, đảm bảo quá trình điều khiển

ô tô diễn ra an toàn nhất trên mọi mặt đường khác nhau Các công trình nghiên cứu đượccông bố cho thấy rằng kỹ thuật điều khiển vị trí ô tô bằng máy tính đạt được những thànhcông cơ bản, tuy nhiên còn nhiều vấn đề cần được đặt ra và nghiên cứu, việc áp dụng vàothực tế vẫn còn rất hạn chế [38-40]

Bộ điều khiển năng lượng hay còn gọi là quản lý năng lượng trên ô tô điện (Energy Management)

Quản lý năng lượng được chia làm hai mảng chính là quản lý năng lượng trên ô tôđiện và các bộ sạc

Khái niệm quản lý năng lượng trong ô tô điện:

Quản lý năng lượng trong ô tô điện nói chung (gồm cả EVs, HEVs và FCEVs) nhằm bamục đích: Kéo dài tuổi thọ ắc quy, gia tăng quãng đường đi và cải thiện hiệu suất động cơ đốttrong (ICE) [41] Như vậy, thì quản lý năng lượng được đưa về bài toán tối ưu hóa

Đối với sạc, hiện nay bộ sạc được chia làm hai mảng chính là bộ sạc trên xe và sạckhông dây Hướng nghiên cứu mới được quan tâm là sử dụng công nghệ truyền điện khôngdây (Wireless Power Transmission) để nạp điện không tiếp xúc cho xe điện (trạm sạckhông dây) hay truyền năng lượng liên tục trong quá trình di chuyển (sạc liên tục khôngdây trên đường) [42-44] Đây là một hướng nghiên cứu mới đang được thử nghiệm ở nhiềuphòng thí nghiệm Tuy nhiên, trong phạm vi luận án vấn đề này sẽ không được đề cập

1.3 Các phương pháp quản lý năng lượng trong ô tô điện

Trong phạm vi luận án, tác giả chia quản lý năng lượng thành hai nhóm chính là 1)nhóm các phương pháp dựa trên luật điều khiển và 2) các phương pháp tối ưu, như trênHình 1.21 Dưới đây là một số phương pháp phù hợp với quản lý năng lượng trên ô tô điện

1.3.1 Các phương pháp dựa trên luật điều khiển

a) Các phương pháp điều khiển dựa trên các luật điều khiển tiền

định  Phương pháp on/off

Đây là phương pháp đơn giản, dễ thực hiện và bền vững nhất và đã được thực hiệntrong ADVISOR để mô phỏng cũng như triển khai thực tế trên Honda Insight và Toyota Prius[2] Phương pháp này dựa trên các tín hiệu của thiết bị lưu trữ năng lượng để ra quyết định

sử dụng nguồn năng lượng nào Ví dụ: để tối ưu hóa hoạt động của động cơ Toyota Prius sẽchia ra các trường hợp:

 Sử dụng động cơ điện trong trường hợp dung lượng ắc quy còn đủ (Highly SoC) và yêu cầu về công suất thấp (Low power demand)

lượng ắc quy xuống thấp (Low SoC) và yêu cầu về công suất thấp Khi đó nănglượng được chia theo hướng động cơ xăng cấp toàn bộ công suất yêu cầu, phần cònlại nạp cho ắc quy

Phương pháp này còn được thể hiện trong các tài liệu [45] với xe lai (HEVs) vớiviệc điều khiển động cơ xăng dựa trên dung lượng của ắc quy và chiến lược tương tự như

xe Toyota Prius Hay như trong tài liệu [46] sử dụng tín hiệu dung lượng ắc quy và côngsuất yêu cầu để bật/tắt chọn một trong tám chế độ hoạt động của tàu điện sử dụng hệ thốnglưu trữ năng lượng Fuel-cell và ắc quy

Phương pháp này tuy đơn giản, hiệu quả và bền vững nhưng không kiểm soát đượchiệu suất cũng như không thể điều khiển tối ưu theo một hoặc nhiều mục tiêu có ràng buộc

Phương pháp điều khiển dựa trên tần số thường dựa trên các bộ lọc thông thấp (LowPass Filter – LPF) hoặc thông cao (High Pass Filter – HPF) để tạo giá trị đặt cho bộ điềukhiển thiết bị lưu trữ năng lượng Đây là phương pháp rất hiệu quả và đơn giản dựa trên đặcđiểm về hằng số thời gian của thiết bị lưu trữ năng lượng Do đặc điểm của từng thiết bị lưutrữ năng lượng, chiến lược phân phối dòng năng lượng sẽ dựa vào tần số dòng điện phụ tảiyêu cầu để tách các thành phần dòng điện phù hợp để đưa về thiết bị lưu trữ năng lượng Ví

dụ đối với hệ HESS sử dụng siêu tụ và ắc quy thì dòng điện có tần số cao và biến thiên lớn

sẽ được điều khiển để đưa đưa vào siêu tụ, các dòng điện có tần số thấp và biến thiên nhỏ sẽđược đưa vào ắc quy Chiến lược này đã được áp dụng thành công trong các xe lai (HEVs)[47], ô tô điện (EVs) [48, 49] thậm chí là thuyền sử dụng hệ thống lai diesel – điện (EHB)[50] Ngoài ra, như trong [51] sử dụng hai bộ lọc thông thấp (LPF) với hằng số thời gianthích hợp cho Fuel-cell và ắc quy, phần dòng điện tần số cao còn lại sẽ được đưa vào siêu

tụ Các kết quả của bài báo được kiểm chứng bằng thực nghiệm Để nâng cấp phương phápnày, trong [48] sử dụng thuật toán thích nghi để tối ưu hóa hằng số thời gian bộ lọc thôngthấp Tuy nhiên, đối tượng của bài báo chỉ còn là hệ năng lượng lai ắc quy siêu tụ

Phương pháp này là phương pháp đơn giản và hiệu quả trong việc nâng cao tuổi thọthiết bị lưu trữ năng lượng

Hình 1.21 Các phương pháp quản lý năng lượng [2]

b) Các phương pháp điều khiển dựa trên trí tuệ nhân tạo

Phương pháp điều khiển mờ cũng là phương pháp được quan tâm khi nói đến quản lýnăng lượng vì phương pháp này rất gần với việc ra quyết định của người lái Phương pháp nàyrất phù hợp với các hệ thống có điều kiện hoạt động bất định như ô tô Trong thời kỳ đầu(những năm trước 2000) các nghiên cứu chủ yếu chỉ tập trung vào phương pháp mờ truyềnthống và kiểm chứng thuật toán bằng thực nghiệm như trong [52-54] Tuy nhiên, trong nhữngnăm gần đây các nghiên cứu lại tập trung vào sử dụng các thuật toán tối ưu như phương pháp

lặp để dò tìm các tham số tối ưu offline cho các chế độ cho trước [55] hoặc sử dụng cácthuật toán tối ưu như GA để tối ưu hóa quá trình mờ hóa [56].

Nhìn chung, phương pháp điều khiển mờ là một phương pháp phù hợp trong việcquản lý năng lượng cho ô tô điện và cũng là phương pháp hứa hẹn trong việc điều khiểnthời gian thực cũng như triển khai thực tế trên các sản phẩm thương mại hóa

Phương pháp trí tuệ nhân tạo cũng là một hướng nghiên cứu được quan tâm trong nhữngnăm gần đây cho quản lý năng lượng trên ô tô điện Về nguyên tắc, đây là là một phương pháptốt có thể đạt tới công năng cao nhưng lại đòi hỏi tài nguyên cho việc tính toán lớn

Những năm đầu 2000, nhóm nghiên cứu ở Chile do giáo sư Dixon đứng đầu đã cónhững nghiên cứu đơn giản đầu tiên về mạng nơ ron áp dụng cho quản lý năng lượng trên ô

tô điện [57] với mạng có hai lớp được sử dụng để xác định giá trị đặt cho dòng điện siêu tụ.Đến năm 2012 và 2013 nhóm nghiên cứu do giáo sư M Abul Masrur đứng đầu đã cónhững nghiên cứu sâu hơn về mạng nơ ron áp dụng cho cả dự đoán điều kiện lái và phânphối công suất sử dụng quy hoạch động để làm kết quả tham chiếu Nhóm cũng đã có đưa

ra các kết quả triển khai trên nền tảng là chiếc Ford Escape [58, 59], tuy nhiên kết quả nàymới dừng lại ở trong phòng thí nghiệm và so với kết quả của phương pháp quy hoạch độngcòn có khoảng cách khá lớn

Có thể nói, trí tuệ nhân tạo cũng là một hướng nghiên cứu hứa hẹn trong quản lý nănglượng trên ô tô điện, tuy nhiên các kết quả đạt được cho đến nay thì vẫn còn rất nhiều hạn chế

1.3.2 Các phương pháp tối ưu

a) Các phương pháp tối ưu toàn cục (Global Optimization)

Ở đây, tên gọi nguyên lý (principle) mang hàm ý rằng nó mới chỉ nêu lên được cáctính chất cơ bản phải có của tín hiệu điều khiển tối ưu chứ chưa phải hoàn toàn là mộtphương pháp xác định tín hiệu điều khiển tối ưu đó Về xuất xứ ban đầu, nguyên lý cực đạiđược Pontryagin phát biểu vào năm 1956 dưới hình thức như một dự báo (hypothese), vàsau đó đã được chứng minh bởi Boltjanski, Gamkrelidse và nhiều người khác Chính vì lẽ

đó mà nó có tên gọi là nguyên lý cực đại Pontryagin [60]

Nguyên lý cực đại Pontryagin thường được sử dụng để phát triển các chiến lượcquản lý năng lượng cho ô tô điện với các hệ HESS dạng off-line (không đáp ứng thời gianthực) Trong [61, 62] các tác giả đã sử dụng nguyên lý cực đại Pontryagin để cực tiểu hóalượng nhiên liệu tiêu thụ cho ô tô điện lai với [61] đóng góp chính là giảm lượng nhiên liệutiêu thụ và tăng tuổi thọ ắc quy và với [62] đóng góp chính là giảm 6.96% lượng nhiên liệutiêu thụ và thời gian mô phỏng giảm từ sáu giờ xuống còn bốn phút Tuy nhiên các kết quảđều dựa trên mô phỏng và báo cáo chủ quan của tác giả (thời gian mô phỏng) nên không cókhả năng kiểm chứng thực tế Còn trong [63] nhóm tác giả cũng sử dụng nguyên lý cực đạiPontryagin cho ô tô điện lai, tuy nhiên đóng góp là bài toán đa đối tượng (multi-objective)với tiêu thụ nhiên liệu và tiêu thụ năng lượng ắc quy có trọng số như nhau và mục tiêu là

quan đến nguyên lý cực đại Pontryagin sử dụng cho ô tô điện vẫn còn hạn chế

 Phương pháp quy hoạch động (Dynamic Programming - DP)

Theo [2], phương pháp quy hoạch động là phương pháp cho kết quả tối ưu toàn cục vàđược đánh giá là phù hợp nhất để quản lý năng lượng Tuy nhiên, phương pháp này không thểđiều khiển thời gian thực vì yêu cầu tất cả các trạng thái đều phải là biết trước và quá trình tínhtoán lại được thực hiện ngược từ cuối lên [64, 65] Chính vì vậy, quy hoạch động chỉ có thể sửdụng để tạo giá trị tham chiếu so sánh với với các phương pháp điều khiển thời gian thực, đặcbiệt là các phương pháp điều khiển thời gian thực cận tối ưu (Real-time Optimization)

Phương pháp quy hoạch động dựa trên nguyên lý tối ưu của Bellman với việc giảiphương trình Hamilton-Jacobi-Bellman và có thể tối ưu hóa theo một (mono objective) hoặcnhiều (multi objective) mục tiêu Phương pháp quy hoạch động một mục tiêu đã được áp dụngthành công đối với xe ô tô điện lai (HEVs) trong [66] nhằm tối ưu hóa lượng tiêu thụ nhiên liệuvới biến trạng thái là năng lượng còn lại (SoC) của ắc quy Cũng cùng mục tiêu như trên, nhưngtrong [67] tác giả đã còn xét thêm một biến trạng thái là vị trí của hộp số truyền thống so với chỉ

sử dụng duy nhất biến trạng thái là SoC Một số tác giả khác đã áp dụng phương pháp này vớinhiều mục tiêu có ràng buộc, ví dụ trong [68] là tối ưu hóa tổn thất trên xe điện lai và chi phívận hành trên xe ô tô điện lai (HEVs) với biến trạng thái là SoC và bản đồ hiệu suất động cơđiện và động cơ đốt trong Cũng cùng mục tiêu có ràng buộc như trong [68] thì trong [69] là xeđiện Fuel Cell (FCEVs) sử dụng hệ năng lượng lai (HESS) Fuel Cell và ắc quy với biến trạngthái là SoC của ắc quy và bản đồ hiệu suất động cơ điện Trong [70] sử dụng hệ HESS fuel cell,

ắc quy và siêu tụ như vậy là hệ thống HESS có nhiều bậc tự do hơn với mục tiêu giống như [68]

và [69] khi đó biến trạng thái là SoC của ắc quy và siêu tụ cộng với bản đồ hiệu suất động cơđiện Như vậy phương pháp quy hoạch động đã được áp dụng với các đối tượng HEs và FCEVs

và khác biệt nằm ở hàm mục tiêu, các ràng buộc và biến trạng thái

b) Các phương pháp điều khiển thời gian thực cận tối ưu (Real-time Optimization)

strategy (ECMS))

Phương pháp ECMS cũng dựa trên hàm mục tiêu có thành phần là mức tiêu thụnhiên liệu nhưng biến hàm mục tiêu toàn cục (global cost function) thành hàm mục tiêu địaphương (local cost function) [2] Như vậy, bản chất của phương pháp vẫn là dựa trên cácphương pháp tối ưu toàn cục như DP hay PMP để thiết kế chiến lược điều khiển Vì vậy,đây được coi là phương pháp cận tối ưu và phương pháp này có thể thực hiện điều khiểnthời gian thực Trong [71], các tác giả đã dựa vào DP để triển khai ECMS với xe lai chạytrên địa hình đồi núi (hilly roads) và kết quả cũng khá ấn tượng với 15% nhiên liệu đượctiết kiệm, chỉ thấp hơn phương pháp thuần DP 3% Tuy nhiên, kết quả mới dừng lại ở môphỏng Trong [72] năm 2017, nhóm tác giả dựa vào nguyên lý cực đại Pontryagin (PMP) vàmạng Nơ ron để thiết kế chiến lược điều khiển và đã cải thiện 3% so với kết quả năm 2005[73] của nhóm tác giả thuộc trường đại học Ohio, Mỹ Nhóm tác giả đến từ ETH Zurich,

dựa vào DP để triển khai ECMS và có những kết quả mô phỏng thời gian thực với kết quả

khiển thời gian thực, tuy nhiên các công bố đến nay mới chỉ dừng ở mô phỏng thời gianthực và vẫn còn một khoảng trống lớn về triển khai trên mô hình thật

Tương tự như phương pháp DP, điều khiển dự báo chuyển bài toán điều khiển tối ưu (optimal control) thành bài toán tối ưu hóa (optimization) bằng cách dự đoán các thông tin của

xe và các điều kiện khác dựa trên mô hình và các trạng thái trước đó của xe Việc dự toánnày sẽ giúp cho việc tính toán đưa ra giá trị điều khiển bằng phương pháp tối ưu hóa sẽ làgiá trị tối ưu nếu mô hình hoàn toàn chính xác Tuy nhiên, việc đưa ra mô hình hoàn toànchính xác là việc bất khả thi cũng như việc bản thân xe cũng có và gặp những đại lượng bấtđịnh nên bài toán chỉ được coi là cận tối ưu Mặc dù phương pháp chỉ là cận tối ưu nhưngđây lại là phương pháp có khả năng điều khiển thời gian thực.

Từ năm 2005, nhóm tác giả của Hà Lan [75] đã sử dụng điều khiển dự báo vớiphương pháp tối ưu hóa là DP để cực tiểu hóa lượng tiêu thụ nhiên liệu cho xe lai Tuynhiên kết quả khá khiêm tốn khi chỉ tiết kiệm được 2% lượng nhiên liệu so với phươngpháp thông thường và các kết quả chỉ dừng ở mô phỏng Đến năm 2017, nhóm của đại họcLille (Pháp) và Sherbrooke (Canada) [76] đã phối hợp nghiên cứu sử dụng MPC với ECQP(Equality Constrained Quadratic Programming) Trong nghiên cứu này, dung lượng còn lại(SoC) của ắc quy và siêu tụ được coi là biến trạng thái và bài toán là đa mục tiêu để cực tiểucác giá trị: công suất tiêu thụ của ắc quy, đạo hàm của công suất tiêu thụ của ắc quy vàchuyển vị của dung lượng còn lại (SoC) của ắc quy và siêu tụ Các kết quả đã được kiểmchứng bằng mô phỏng thời gian thực (real-time simulation) Tuy rằng MPC là phương pháphứa hẹn điều khiển được thời gian thực nhưng theo tìm hiểu đến nay các kết quả được công

bố mới chỉ dừng lại ở mô phỏng thời gian thực chứ chưa triển khai được trên ô tô điện

1.4 Mục tiêu nghiên cứu và giới hạn nội dung nghiên cứu

1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu

Với những tìm hiểu về đối tượng là EVs sử dụng hệ thống lưu trữ năng lượng lai,nội dung của luận án sẽ tập trung vào việc thiết kế các bộ điều khiển dòng năng lượng theohướng gia tăng tuổi thọ ắc quy Để đạt được mục tiêu này cần giảm thiểu các yếu tố ảnhhưởng đến tuổi thọ ắc quy là tần số, dòng điện đỉnh và tổn hao nội tại của ắc quy Việc điềukhiển dòng năng lượng sẽ phải phối hợp chặt chẽ với điều khiển bộ biến đổi công suất

Cấu hình cụ thể của hệ thống được trình bày trên Hình 1.22

Hình 1.22 Cấu trúc điều khiển hệ năng lượng lai ắc quy và siêu tụ cho ô tô điện

1.4.2 Giới hạn nội dung nghiên cứu

Trên cơ sở thông tin và các phân tích trên, kết hợp với điều kiện thí nghiệm và cơ sởvật chất hiện có phục vụ cho nghiên cứu, luận án thực hiện các nội dung như sau:

chuẩn nội đô của châu Âu ECE [77] như trên Bảng 1.1 và Hình 1.23 Đây là chutrình chuẩn để đánh giá tiêu hao nhiên liệu nội đô và hỗn hợp tại châu Âu và ViệtNam cho tiêu chuẩn EURO 3, EURO 4 và EURO 5 Chu trình ECE nội đô sẽ là giátrị đặt cho bộ điều khiển tốc độ của xe và việc tốc độ xe đáp ứng đúng giá trị đặt làđiều kiện tiên quyết trước khi đặt vấn đề quản lý năng lượng

Bảng 1.1: Bảng các tham số của chu trình ECE.

Tên thông số

Thời gian toàn chu trình

Quãng đường đi

Tốc độ trung bình

Gia tốc tối đa

Gia tốc giảm tốc tối đa

Đơn vị

skmkm/h